วิธีกระจายอิเล็กตรอนเป็นชั้นๆ การกระจายของอิเล็กตรอนตามระดับพลังงาน

การกระจายของอิเล็กตรอนเหนือระดับพลังงานจะอธิบายคุณสมบัติของโลหะและอโลหะของธาตุต่างๆ

สูตรอิเล็กทรอนิกส์

มีกฎบางอย่างซึ่งอนุภาคลบที่จับคู่และอิสระจะถูกวางไว้ที่ระดับและระดับย่อย ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกระจายของอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน
มีอิเล็กตรอนเพียงสองตัวในระดับพลังงานแรก การเติมวงโคจรกับพวกมันจะดำเนินการเมื่อแหล่งพลังงานเพิ่มขึ้น การกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีนั้นสอดคล้องกับเลขลำดับ ระดับพลังงานที่มีจำนวนน้อยที่สุดจะมีแรงดึงดูดของเวเลนซ์อิเล็กตรอนต่อนิวเคลียสที่เด่นชัดที่สุด

ตัวอย่างการรวบรวมสูตรอิเล็กทรอนิกส์

พิจารณาการกระจายของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานโดยใช้ตัวอย่างอะตอมของคาร์บอน หมายเลขซีเรียลของมันคือ 6 ดังนั้นจึงมีโปรตอนที่มีประจุบวกหกตัวอยู่ภายในนิวเคลียส เนื่องจากคาร์บอนเป็นตัวแทนของช่วงที่สอง จึงมีลักษณะเด่นคือมีระดับพลังงานสองระดับ ตัวแรกมีอิเล็กตรอนสองตัว ตัวที่สองมีสี่ตัว
กฎของ Hund อธิบายตำแหน่งในหนึ่งเซลล์ของอิเล็กตรอนเพียงสองตัวที่มีสปินต่างกัน มีอิเล็กตรอนสี่ตัวในระดับพลังงานที่สอง เป็นผลให้การกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีมีรูปแบบดังต่อไปนี้: 1s22s22p2
มีกฎบางอย่างตามที่การกระจายของอิเล็กตรอนลงในระดับย่อยและระดับต่างๆ

หลักการของเพาลี

หลักการนี้กำหนดขึ้นโดย Pauli ในปี 1925 นักวิทยาศาสตร์กำหนดความเป็นไปได้ในการใส่อิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมเท่ากันในอะตอม: n, l, m, s โปรดทราบว่าการกระจายของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานจะเกิดขึ้นเมื่อปริมาณพลังงานอิสระเพิ่มขึ้น

กฎของ Klechkovsky

การเติมวงโคจรของพลังงานจะดำเนินการตามการเพิ่มขึ้นของจำนวนควอนตัม n + l และมีลักษณะเฉพาะคือการเพิ่มขึ้นของพลังงานสำรอง
พิจารณาการกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมของแคลเซียม
ในสภาวะปกติ สูตรอิเล็กทรอนิกส์จะเป็นดังนี้:
แคลิฟอร์เนีย 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2.
สำหรับองค์ประกอบของกลุ่มย่อยที่คล้ายกันที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบ d และ f จะมี "ความล้มเหลว" ของอิเล็กตรอนจากระดับย่อยภายนอกซึ่งมีพลังงานสำรองต่ำกว่าไปยังระดับย่อย d หรือ f ก่อนหน้า ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันเป็นเรื่องปกติสำหรับทองแดง เงิน แพลทินัม ทอง
การกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมเกี่ยวข้องกับการเติมระดับย่อยด้วยอิเล็กตรอนที่ไม่เข้าคู่ซึ่งมีสปินเหมือนกัน
หลังจากการเติมออร์บิทัลอิสระทั้งหมดด้วยอิเล็กตรอนเดี่ยวอย่างสมบูรณ์ เซลล์ควอนตัมจะได้รับการเสริมด้วยอนุภาคลบที่สองซึ่งมีสปินตรงกันข้าม
ตัวอย่างเช่น ในสภาวะที่ไม่ตื่นเต้นของไนโตรเจน:
1s2 2s2 2p3.
คุณสมบัติของสารได้รับอิทธิพลจากการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของเวเลนซ์อิเล็กตรอน จากจำนวนของพวกเขาคุณสามารถกำหนดความจุกิจกรรมทางเคมีสูงสุดและต่ำสุดได้ หากองค์ประกอบอยู่ในกลุ่มย่อยหลักของตารางธาตุ คุณสามารถใช้หมายเลขกลุ่มเพื่อกำหนดระดับพลังงานภายนอก กำหนดสถานะออกซิเดชัน ตัวอย่างเช่น ฟอสฟอรัสซึ่งอยู่ในหมู่ที่ห้า (หมู่ย่อยหลัก) มีเวเลนต์อิเล็กตรอนห้าตัว ดังนั้น ฟอสฟอรัสจึงสามารถรับอิเล็กตรอนสามตัวหรือให้อนุภาคอีกห้าอนุภาคแก่อะตอมอื่นได้
ตัวแทนทั้งหมดของกลุ่มย่อยรองของตารางธาตุถือเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้

คุณสมบัติของครอบครัว

ขึ้นอยู่กับโครงสร้างระดับพลังงานภายนอก มีการแบ่งอะตอมที่เป็นกลางทั้งหมดที่รวมอยู่ในตารางธาตุออกเป็นสี่ตระกูล:

องค์ประกอบ s อยู่ในกลุ่มที่หนึ่งและสอง (กลุ่มย่อยหลัก) องค์ประกอบ p อยู่ในกลุ่ม III-VIII (กลุ่มย่อย A) องค์ประกอบ d สามารถพบได้ในกลุ่มย่อยที่คล้ายกันจากกลุ่ม I-VIII; ตระกูล f ประกอบด้วยแอกทิไนด์และแลนทาไนด์

องค์ประกอบ s ทั้งหมดในสถานะปกติมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนในระดับ s องค์ประกอบ p นั้นแสดงลักษณะเฉพาะด้วยการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระที่ระดับ s- และ p-sub
องค์ประกอบ d ในสถานะไม่ตื่นเต้นมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งที่ s- สุดท้ายและในระดับย่อย d สุดท้าย

บทสรุป

สถานะของอิเล็กตรอนใดๆ ในอะตอมสามารถอธิบายได้โดยใช้ชุดตัวเลขพื้นฐาน เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับพลังงานจำนวนหนึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของโครงสร้าง การใช้กฎของ Hund, Klechkovsky, Pauli สำหรับองค์ประกอบใดๆ ที่รวมอยู่ในตารางธาตุ คุณสามารถจัดโครงร่างของอะตอมที่เป็นกลางได้
พลังงานสำรองที่น้อยที่สุดในสถานะที่ไม่ถูกกระตุ้นนั้นถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับแรก เมื่ออะตอมที่เป็นกลางได้รับความร้อนจะมีการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนซึ่งมักจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงจำนวนอิเล็กตรอนอิสระซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของธาตุซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมทางเคมี

ถ้าอนุภาคที่เหมือนกันมีเลขควอนตัมเท่ากัน ฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะสมมาตรตามการเรียงสับเปลี่ยนของอนุภาค มันตามมาว่าเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวที่รวมอยู่ในระบบเดียวไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันได้ เพราะ สำหรับเฟอร์มิออน ฟังก์ชันคลื่นจะต้องไม่สมมาตรกัน สรุปข้อมูลการทดลอง V. Pauli เกิดขึ้น หลักการ ข้อยกเว้น โดย ระบบเฟอร์มิออนมีอยู่ในธรรมชาติ เฉพาะในรัฐ,อธิบายโดยฟังก์ชันคลื่นแอนติสมมาตร(สูตรทางกลเชิงควอนตัมของหลักการเพาลี)

จากบทบัญญัตินี้เป็นไปตามการกำหนดหลักการของ Pauli ที่ง่ายขึ้นซึ่งเขาแนะนำใน ทฤษฎีควอนตัม(พ.ศ. 2468) ก่อนการก่อสร้าง กลศาสตร์ควอนตัม: ในระบบของเฟอร์มิออนที่เหมือนกัน ทั้งสองอย่างไม่สามารถพร้อมกันได้ อยู่ในสถานะเดียวกัน . โปรดทราบว่าจำนวนของโบซอนที่เหมือนกันในสถานะเดียวกันนั้นไม่จำกัด

จำได้ว่าสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมถูกกำหนดโดยชุด เลขควอนตัมสี่ตัว :

หลัก น ;

วงโคจร ล โดยปกติแล้วสถานะเหล่านี้หมายถึง 1 ส, 2ง, 3ฉ;

แม่เหล็ก ();

· แม่เหล็กหมุน ()

การกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมเกิดขึ้นตามหลักการของ Pauli ซึ่งสามารถกำหนดสูตรสำหรับอะตอมในรูปแบบที่ง่ายที่สุด: ในอะตอมเดียวกันจะมีอิเล็กตรอนที่มีเลขควอนตัมสี่ชุดเดียวกันได้ไม่เกินหนึ่งตัว: น, ล, , :

Z (น, ล, , ) = 0 หรือ 1,

ที่ไหน Z (น, ล, , ) คือจำนวนอิเล็กตรอนในสถานะควอนตัม ซึ่งอธิบายโดยชุดของเลขควอนตัมสี่ตัว: น, ล, , . ดังนั้น หลักการของเพาลีจึงกล่าวว่า อิเล็กตรอนสองตัวนั้น ,ในอะตอมเดียวกันมีค่าต่างกัน ,อย่างน้อย ,เลขควอนตัมหนึ่งตัว .

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในสถานะที่อธิบายด้วยชุดเลขควอนตัมสามตัว น, ลและ ม, และแตกต่างกันเฉพาะในทิศทางของการหมุนของอิเล็กตรอนเท่ากับ:

,

(8.2.1)

เนื่องจากเลขควอนตัมสปินสามารถรับได้เพียงสองค่าคือ 1/2 และ –1/2

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่อยู่ในสถานะที่กำหนดโดยเลขควอนตัมสองตัว นและ ล:

.

(8.2.2)

ในกรณีนี้ เวกเตอร์ของโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนสามารถอยู่ในอวกาศได้ (2 ล+ 1) ทิศทางต่างๆ (รูปที่ 8.1)

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในสถานะที่กำหนดโดยค่าของเลขควอนตัมหลัก นเท่ากับ:

.

(8.2.3)

ชุดของอิเล็กตรอนในอะตอมหลายอิเล็กตรอน,มีเลขควอนตัมหลักเหมือนกัน n,เรียกว่า เปลือกอิเล็กตรอนหรือ ชั้น .

ในแต่ละชั้นอิเล็กตรอนจะกระจายไปตาม เปลือกย่อย สอดคล้องกับสิ่งนี้ ล.

พื้นที่ของพื้นที่,ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงที่จะพบอิเล็กตรอน, เรียกว่า เปลือกย่อย หรือ วงโคจร . มุมมองของวงโคจรประเภทหลักแสดงในรูปที่ 8.1.

เนื่องจากจำนวนควอนตัมวงโคจรใช้ค่าตั้งแต่ 0 ถึง จำนวนของเชลล์ย่อยจึงเท่ากับจำนวนลำดับ นเปลือกหอย จำนวนอิเล็กตรอนในเชลล์ย่อยถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมแม่เหล็กและแม่เหล็กหมุน: จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในเชลล์ย่อยด้วยค่าที่กำหนด ลเท่ากับ 2(2 ล+ 1). การกำหนดของเชลล์ ตลอดจนการกระจายของอิเล็กตรอนเหนือเชลล์และเชลล์ย่อย แสดงไว้ในตาราง 1.

ตารางที่ 1

หมายเลขควอนตัมหลัก น

สัญลักษณ์เปลือกหอย

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในเปลือก

เลขควอนตัมวงโคจร ล

สัญลักษณ์ย่อย

จำนวนสูงสุด อิเล็กตรอนใน เปลือกย่อย

การกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นไปตามบทบัญญัติ 3 ข้อของกลศาสตร์ควอนตัม: หลักการของเพาลี หลักการของพลังงานขั้นต่ำ กฎของ Hund

ตามหลักเปาลี อะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีค่าเท่ากันของเลขควอนตัมทั้งสี่หลักการของ Pauli กำหนดจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในหนึ่งออร์บิทัล ระดับและระดับย่อย เนื่องจาก AO มีลักษณะเป็นเลขควอนตัมสามตัว n, ล., มล, อิเล็กตรอนของออร์บิทัลที่กำหนดสามารถแตกต่างกันได้เฉพาะในเลขควอนตัมของสปินเท่านั้น นางสาว. แต่ นางสาวจะมีค่าได้เพียงสองค่าคือ +½ และ -½

ดังนั้น อิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามกันจึงอยู่ในออร์บิทัลเดียวได้ไม่เกินสองตัว จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานถูกกำหนดเป็น 2 น 2 และที่ระดับย่อย - เป็น 2 (2 ล+1). จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่อยู่ในระดับต่างๆ และระดับย่อยแสดงไว้ในตาราง 2.1.

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่ระดับควอนตัมและระดับย่อย

ระดับพลังงาน	ระดับย่อยของพลังงาน	ค่าที่เป็นไปได้ของเลขควอนตัมแม่เหล็ก มล	จำนวน JSCs ใน	จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดต่อ
ระดับย่อย	ระดับ	ระดับย่อย	ระดับ
เค (น= 1)	ส (ล= 0)
แอล (น= 2)	ส (ล= 0) หน้า (ล= 1)	-1, 0, 1
ม (น= 3)	ส (ล= 0) หน้า (ล= 1) ง (ล= 2)	-1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2
เอ็น (น= 4)	ส (ล= 0) หน้า (ล= 1) ง (ล= 2) ฉ (ล= 3)	-1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

ลำดับของการเติมวงโคจรด้วยอิเล็กตรอนนั้นดำเนินการตาม หลักการพลังงานขั้นต่ำโดย อิเล็กตรอนจะเติมออร์บิทัลตามลำดับเพื่อเพิ่มระดับพลังงานของออร์บิทัลลำดับของวงโคจรในแง่ของพลังงานถูกกำหนดโดย กฎของ Klechkovsky : การเพิ่มขึ้นของพลังงานและดังนั้นการเติมวงโคจรจึงเกิดขึ้นตามลำดับของผลรวมที่เพิ่มขึ้น (n + l) และด้วยผลรวมที่เท่ากัน (n + l) - ในลำดับที่เพิ่มขึ้นของ n

ลำดับการกระจายของอิเล็กตรอนเหนือระดับพลังงานและระดับย่อยในเปลือกของอะตอมเรียกเขาว่า การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์. เมื่อเขียนการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ หมายเลขระดับ (หมายเลขควอนตัมหลัก) จะแสดงด้วยตัวเลข 1, 2, 3, 4 ... ระดับย่อย (หมายเลขควอนตัมวงโคจร) - ตามตัวอักษร s, p, d, f. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับย่อยจะแสดงด้วยตัวเลข ซึ่งเขียนไว้ที่ด้านบนของสัญลักษณ์ระดับย่อย ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมซัลเฟอร์คือ 16 S 1 ส 2 2ส 2 2หน้า 6 3ส 2 3หน้า 4 และวานาเดียม 23 V 1 ส 2 2ส 2 2หน้า 6 3ส 2 3หน้า 6 3d°/i> 3 4 ส 2 .

คุณสมบัติทางเคมีของอะตอมถูกกำหนดโดยโครงสร้างของระดับพลังงานภายนอกเป็นหลัก ซึ่งเรียกว่า ความจุ. ระดับพลังงานที่สมบูรณ์ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทางเคมี ดังนั้นเพื่อความกะทัดรัดพวกเขามักจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ของก๊าซมีตระกูลก่อนหน้าเพื่อความกะทัดรัด ดังนั้นสำหรับกำมะถัน: 3 ส 2 3หน้าสี่ ; สำหรับวาเนเดียม: 3 ง 3 4ส 2. ในเวลาเดียวกัน สัญกรณ์แบบย่อเน้นให้เห็นอย่างชัดเจนถึงเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่กำหนด คุณสมบัติทางเคมีอะตอมของธาตุ

ขึ้นอยู่กับระดับย่อยในอะตอมที่ถูกเติมเต็มทั้งหมด องค์ประกอบทางเคมีแบ่งออกเป็น 4 ตระกูลอิเล็กทรอนิกส์ ได้แก่ s-, p-, d-, f-องค์ประกอบ องค์ประกอบที่มีอะตอมเป็นองค์ประกอบสุดท้ายที่เติมเต็มระดับย่อย s ของระดับนอกเรียกว่าองค์ประกอบ s. ที่ เอส-องค์ประกอบเป็นวาเลนซ์ ส- อิเล็กตรอนของระดับพลังงานภายนอก

ที่ p-องค์ประกอบ p-sublevel ของระดับนอกจะถูกเติมเต็ม. พวกมันมีเวเลนต์อิเล็กตรอนใน p-และ เอส-ระดับย่อยของชั้นนอก ที่ องค์ประกอบ d, d-sublevel ของระดับก่อนนอกจะถูกเติมสุดท้ายและวาเลนซ์คือ เอส-อิเล็กตรอนจากภายนอกและ d-อิเล็กตรอนของระดับพลังงานก่อนภายนอก ที่ องค์ประกอบ f ระดับย่อย f ของระดับพลังงานภายนอกที่สามจะถูกเติมเต็ม

การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมยังสามารถอธิบายได้ในรูปแบบของแผนผังการจัดวางอิเล็กตรอนในเซลล์ควอนตัม ซึ่งเป็นการแสดงภาพกราฟิกของออร์บิทัลของอะตอม เซลล์ควอนตัมแต่ละเซลล์สามารถบรรจุอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามกันได้ไม่เกินสองตัว ลำดับการจัดวางอิเล็กตรอนภายในระดับย่อยหนึ่งถูกกำหนดโดยกฎของ Hund: ภายในระดับย่อย อิเล็กตรอนจะถูกจัดเรียงเพื่อให้สปินทั้งหมดมีค่าสูงสุดกล่าวอีกนัยหนึ่ง ออร์บิทัลของระดับย่อยที่กำหนดจะถูกเติมก่อนโดยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวที่มีสปินเหมือนกัน จากนั้นจึงเติมด้วยอิเล็กตรอนตัวที่สองที่มีสปินตรงกันข้าม

สปินทั้งหมด R-อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่สามของอะตอมซัลเฟอร์ S นางสาว= ½ - ½ + ½ + ½ = 1; ง- อิเล็กตรอนของอะตอมวาเนเดียม -

ส นางสาว\u003d ½ + ½ + ½ \u003d 3/2

บ่อยครั้งที่สูตรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดไม่ได้แสดงเป็นกราฟิก แต่จะแสดงเฉพาะระดับย่อยที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ เช่น

16ส…3 ส 2 3หน้าสี่ ; 23V…3 ง 3 4ส 2 .

ในการนำเสนอแบบกราฟิกของการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมในสถานะตื่นเต้นพร้อมกับการเติมเต็ม วงโคจรเวเลนซ์ที่ว่างจะถูกบรรยาย ตัวอย่างเช่นในอะตอมของฟอสฟอรัสที่ระดับพลังงานที่สามมีอยู่หนึ่งอัน ส-AO สาม ร-ao และห้า ง-AO. การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมฟอสฟอรัสในสถานะพื้นมีรูปแบบ

15 ร… 3 ส 2 3หน้า 3 .

วาเลนซ์ของฟอสฟอรัสซึ่งกำหนดโดยจำนวนของอิเล็กตรอนที่ไม่เข้าคู่คือ 3 เมื่ออะตอมผ่านเข้าสู่สถานะตื่นเต้น อิเล็กตรอนในสถานะ 3 จะลดลง สและอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่ง ส-sublevel สามารถไปที่ ง- ระดับย่อย:

ร*… 3 เอส2 3หน้า 3 3ง 1

ในกรณีนี้ ความจุของฟอสฟอรัสเปลี่ยนจากสาม (PCl 3) ในสถานะพื้นเป็นห้า (PCl 5) ในสถานะกระตุ้น

อิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมเคลื่อนที่ในการประมาณค่าแรกในสนามที่ไม่ใช่คูลอมบ์ที่สมมาตรตรงกลาง สถานะของอิเล็กตรอนในกรณีนี้ถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมสามตัว ความหมายทางกายภาพซึ่งอธิบายไว้ใน§ 28 ในการเชื่อมต่อกับการมีอยู่ของ การหมุนของอิเล็กตรอนจะต้องเพิ่มหมายเลขควอนตัมที่ระบุให้กับหมายเลขควอนตัมที่สามารถรับค่าและกำหนดการฉายของการหมุนไปยังทิศทางที่กำหนด ต่อไปนี้สำหรับเลขควอนตัมแม่เหล็ก เราจะใช้สัญกรณ์แทนเพื่อเน้นข้อเท็จจริงที่ว่าเลขนี้กำหนดเส้นโครงของโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร ซึ่งค่าของเลขควอนตัมนี้กำหนดโดยเลขควอนตัม l

ดังนั้นสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมจึงมีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัมสี่ตัว:

พลังงานของรัฐขึ้นอยู่กับตัวเลขเป็นหลัก

นอกจากนี้ยังมีการพึ่งพาพลังงานกับตัวเลขที่อ่อนแอเนื่องจากค่าของพวกมันเกี่ยวข้องกับการวางแนวร่วมกันของช่วงเวลาซึ่งขนาดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาแม่เหล็กของวงโคจรและภายในของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับ พลังงานของรัฐเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อจำนวนเพิ่มขึ้นมากกว่าการเพิ่ม ดังนั้นตามกฎแล้วรัฐที่มีขนาดใหญ่จะมีพลังงานมากขึ้นโดยไม่คำนึงถึงมูลค่า

ในสถานะปกติ (ไม่ตื่นเต้น) ของอะตอม อิเล็กตรอนควรอยู่ที่ระดับพลังงานต่ำสุดที่มีให้ ดังนั้นดูเหมือนว่าในอะตอมใดๆ ในสถานะปกติ อิเล็กตรอนทั้งหมดควรอยู่ในสถานะและเงื่อนไขพื้นฐานของอะตอมทั้งหมดควรเป็นประเภท -term อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

คำอธิบายประเภทของคำศัพท์ที่สังเกตได้มีดังนี้ ตามกฎข้อหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่าหลักการของเพาลี ในอะตอมเดียวกัน (หรือในระบบควอนตัมอื่นใด) จะไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมชุดเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิเล็กตรอนสองตัวไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันในเวลาเดียวกันได้

ใน§ 28 แสดงให้เห็นว่าที่กำหนดนั้นสอดคล้องกับสถานะที่แตกต่างกันในค่าของ l และจำนวนควอนตัมสามารถรับได้สองค่า: ดังนั้นอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในสถานะที่มีค่าที่กำหนดได้:

ชุดของอิเล็กตรอนที่มีค่าเลขควอนตัมเท่ากัน ก่อตัวเป็นเปลือก เปลือกถูกแบ่งออกเป็นเปลือกย่อยที่แตกต่างกันในค่าของหมายเลขควอนตัม l ตามความหมาย เปลือกจะได้รับการกำหนดที่ยืมมาจาก X-ray spectroscopy:

ตารางที่ 36.1

การแบ่งสถานะที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอนในอะตอมออกเป็นเชลล์และเชลล์ย่อยแสดงในตาราง 36.1 ซึ่งใช้สัญลักษณ์แทนสัญลักษณ์เพื่อความชัดเจน: . เชลล์ย่อย ดังที่ระบุในตาราง สามารถกำหนดได้สองวิธี (เช่น อย่างใดอย่างหนึ่ง)

แต่ละวงโคจรของอะตอมสอดคล้องกับพลังงานบางอย่าง ลำดับของ AO ในพลังงานถูกกำหนดโดยกฎของ Klechkovsky สองข้อ:

1) พลังงานของอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยค่าของหลักการ (n) และวงโคจร ( ล) เลขควอนตัม ดังนั้น ขั้นแรกให้อิเล็กตรอนเติมระดับย่อยเหล่านั้นซึ่งผลรวม (n + ล) เล็กลง.

ตัวอย่างเช่น เราอาจสันนิษฐานว่าระดับย่อย 3 มิติมีพลังงานต่ำกว่า 4 วินาที อย่างไรก็ตามตามกฎของ Klechkovsky พลังงานของสถานะ 4s น้อยกว่า 3d เนื่องจากสำหรับ 4s ผลรวม (n + ล) = 4 + 0 = 4 และสำหรับ 3d - (n + ล) = 3 + 2 = 5.

2) ถ้าผลรวม (n + ล) จะเหมือนกันสำหรับสองระดับย่อย (ตัวอย่างเช่น สำหรับระดับย่อย 3d และ 4p ผลรวมนี้จะเท่ากับ 5) ระดับที่มีขนาดเล็กกว่า น. ดังนั้นการก่อตัวของระดับพลังงานของอะตอมของธาตุในช่วงที่สี่จึงเกิดขึ้นในลำดับต่อไปนี้: 4s - 3d - 4p ตัวอย่างเช่น:

21 Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 , 31 Ga 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1

ดังนั้นเมื่อคำนึงถึงกฎของ Klechkovsky พลังงานของออร์บิทัลของอะตอมจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ

1 วินาที< 2s < 2p < 3 < 3p < 4s ≤3 มิติ< 4p < 5s ≤ 4d < 5p < 6s ≤ 4f ≤ 5d < 6p < 7s ≤ 5f ≤ 6d < 7p

บันทึก. เครื่องหมาย ≤ หมายความว่าพลังงาน AO ใกล้เข้ามาแล้ว ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะละเมิดกฎของ Klechkovsky

เมื่อใช้ซีรีส์นี้ เราสามารถกำหนดโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมใดๆ ได้ ในการทำเช่นนี้ คุณต้องเพิ่มและวางอิเล็กตรอนในระดับย่อยและวงโคจรของอะตอมตามลำดับ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องคำนึงถึงหลักการของ Pauli และกฎของ Hund สองข้อ

3. หลักการของเพาลีกำหนดความจุของ AO: อะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมทั้งสี่ชุดเหมือนกันได้

กล่าวอีกนัยหนึ่ง AO หนึ่งตัวที่มีเลขควอนตัมสามตัวสามารถรองรับได้เท่านั้น อิเล็กตรอนสองตัวด้วยการหมุนตรงข้ามเช่น สำหรับหนึ่ง AO สามารถเขียนได้สองอัน ตัวเลือกที่เป็นไปได้การบรรจุ:

หนึ่งอิเล็กตรอนและสองอิเล็กตรอน ↓ .

ในกรณีนี้ ทิศทางเฉพาะของการหมุนของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรไม่สำคัญ สิ่งสำคัญคือการหมุนของอิเล็กตรอนสองตัวในหนึ่ง AO จะมีสัญญาณตรงกันข้าม หลักการของ Pauli และการพึ่งพาซึ่งกันและกันระหว่างค่าของ n ล, และ m กำหนดจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่เป็นไปได้ต่อออร์บิทัล ระดับย่อย และระดับ (ตารางที่ 2.4):

-ในหนึ่ง AO - 2อิเล็กตรอน;

- ที่ระดับย่อย ล- 2(2l+1)อิเล็กตรอน;

- ที่ระดับ n - 2n 2อิเล็กตรอน

ตารางที่ 2.4

การกระจายอิเล็กตรอน

ตามระดับพลังงาน ระดับย่อย และวงโคจร

ระดับพลังงาน	หมายเลขควอนตัมหลัก	ระดับย่อยของพลังงาน	วงโคจรของอะตอม	จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด
				ระดับย่อย	ระดับ
1		เอส( ล= 0)
		เอส( ล= 0)
2		พี( ล= 1)
		เอส( ล= 0)
3		พี( ล= 1)
		ง( ล=2)

4. กฎของ Two Hund อธิบายลำดับที่อิเล็กตรอนเติมเต็ม AO ของระดับย่อยหนึ่ง:

กฎข้อแรก: ในระดับย่อยที่กำหนด อิเล็กตรอนมักจะเติมสถานะพลังงาน (AO) ในลักษณะที่ผลรวมของการหมุนของพวกมันในค่าสัมบูรณ์มีค่าสูงสุด ในกรณีนี้ พลังงานของระบบจะน้อยมาก

ตัวอย่างเช่น พิจารณาการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมคาร์บอน เลขอะตอมของธาตุนี้คือ 6 ซึ่งหมายความว่ามีอิเล็กตรอน 6 ตัวในอะตอมและอยู่ใน 2 ระดับพลังงาน (อะตอมของคาร์บอนอยู่ในช่วงที่สอง) เช่น 1 วินาที 2 2 วินาที 2 2 จุด 2 . ในเชิงกราฟิก ระดับย่อย 2p สามารถแสดงได้สามวิธี:

ม 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1 0 0 +1 0 -1

เอ บี ซี

จำนวนการหมุนในตัวเลือก กเท่ากับศูนย์ ในตัวเลือก ขและ ในผลรวมของการหมุนคือ: ½ +½ = 1 (อิเล็กตรอนคู่สองตัวรวมกันเป็นศูนย์เสมอ ดังนั้นเราจึงคำนึงถึงอิเล็กตรอนคู่ที่ไม่ตรงกันด้วย)

เมื่อต้องเลือกระหว่างตัวเลือก ขและ ในทำตามกฎข้อที่สองของ Hund : สถานะที่มีผลรวมของเลขควอนตัมแม่เหล็กสูงสุด (ในค่าสัมบูรณ์) จะมีพลังงานต่ำสุด

ตามกฎของ Hund ตัวเลือกมีข้อได้เปรียบ ข(ผลรวมของ |1+ 0| เท่ากับ 1) เนื่องจากในตัวแปร ในผลรวม |+1–1| เท่ากับ 0

ตัวอย่างเช่น ให้เรากำหนดสูตรอิเล็กทรอนิกส์ของธาตุวานาเดียม (V) เนื่องจากเลขอะตอมของมันคือ Z = 23 จึงต้องวางอิเล็กตรอน 23 ตัวในระดับย่อยและระดับต่างๆ (มีสี่ตัว เนื่องจากวาเนเดียมอยู่ในคาบที่สี่) เรากรอกข้อมูลตามลำดับ: 1 วินาที 2 2 วินาที 2 2 จุด 6 3 วินาที 2 3 จุด 6 4s 2 3d 3 (ขีดเส้นใต้ระดับที่ยังไม่เสร็จและระดับย่อย) ตำแหน่งของอิเล็กตรอนบน 3d-AO ตามกฎของ Hund จะเป็น:

สำหรับซีลีเนียม (Z = 34) สูตรอิเล็กทรอนิกส์แบบเต็มคือ: 1 วินาที 2 2 วินาที 2 2 จุด 6 3 วินาที 2 3 จุด 6 3d 10 4s 2 4p 4, ระดับที่สี่ไม่สมบูรณ์

กรอกระดับย่อยนี้ตามกฎของ Hund: 4p

บทบาทพิเศษในวิชาเคมีนั้นเล่นโดยอิเล็กตรอนในระดับที่ว่างและระดับย่อยสุดท้ายซึ่งเรียกว่า ความจุ(ในสูตร V, Se ถูกขีดเส้นใต้) ตัวอย่างเช่น ในวาเนเดียม สิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอนของระดับที่สี่ 4s 2 ที่ยังไม่เติม และระดับย่อย 3d 3 ที่ไม่ได้บรรจุ นั่นคือ 5 อิเล็กตรอนจะเป็นเวเลนซ์ 4s 2 3d 3 ; ซีลีเนียมมี 6 อิเล็กตรอน - 4s 2 4p 4 .

ตามชื่อระดับย่อยสุดท้ายที่จะเติม องค์ประกอบจะเรียกว่าองค์ประกอบ s, องค์ประกอบ p, องค์ประกอบ d และองค์ประกอบ f

สูตรของเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่พบตามกฎที่อธิบายไว้เรียกว่า เป็นที่ยอมรับ. ในความเป็นจริง สูตรจริงที่กำหนดจากการทดลองหรือการคำนวณทางกลเชิงควอนตัมค่อนข้างแตกต่างจากสูตรที่บัญญัติ กฎของ Klechkovsky หลักการของ Pauli และกฎของ Gund บางครั้งถูกละเมิด เหตุผลของการละเมิดเหล่านี้จะกล่าวถึงด้านล่าง

ตัวอย่างที่ 1. จดสูตรอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมของธาตุที่มีเลขอะตอม 16 วาดเวเลนซ์อิเล็กตรอนแบบกราฟิกและแสดงลักษณะของหนึ่งในนั้นด้วยเลขควอนตัม

การตัดสินใจ. เลขอะตอม 16 มีอะตอมของกำมะถัน ดังนั้นประจุนิวเคลียร์คือ 16 โดยทั่วไปอะตอมของกำมะถันมีอิเล็กตรอน 16 ตัว สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมกำมะถันเขียนขึ้น: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. (ขีดเส้นใต้เวเลนต์อิเล็กตรอน)

สูตรกราฟิกของเวเลนซ์อิเล็กตรอน:

สถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมมีเลขควอนตัมสี่ตัว สูตรอิเล็กทรอนิกส์ให้ค่าของเลขควอนตัมหลักและเลขควอนตัมวงโคจร ดังนั้น สำหรับอิเล็กตรอนที่มีเครื่องหมาย สถานะ 3p หมายความว่า n = 3 และ ล= 1(หน้า). สูตรกราฟิกให้ค่าของเลขควอนตัมอีกสองตัว - แม่เหล็กและสปิน สำหรับอิเล็กตรอนที่ทำเครื่องหมายไว้ m = -1 และ s = 1/2

ตัวอย่างที่ 2. กำหนดลักษณะเวเลนต์อิเล็กตรอนของอะตอมสแกนเดียมด้วยเลขควอนตัมสี่ตัว

การตัดสินใจ. Scandium อยู่ในช่วงที่ 4 นั่นคือ ชั้นควอนตัมสุดท้ายคือชั้นที่สี่ในกลุ่มที่ 3 เช่น เวเลนซ์อิเล็กตรอนสามตัว

สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของเวเลนซ์อิเล็กตรอนคือ 4s 2 3d 1

สูตรกราฟิก: